Riesgo de incendio relacionado con el uso de sistemas fotovoltaicos en fachadas de edificios

Jun 15, 2023

Fecha: 25 de enero de 2023

Autores: Lamberto Mazziotti, Piergiacomo Cancelliere, Giuseppe Paduano, Paolo Setti y Samuele Sassi

Fuente:MATEC Web de Conferencias, Volumen 46

DOI:https://doi.org/10.1051/matecconf/20164605001

Hoy en día el uso de sistemas fotovoltaicos (PV) en edificios no sólo está relacionado con la conversión de la energía solar en eléctrica, sino que estos módulos o paneles fotovoltaicos también podrían utilizarse con características estéticas o, más aún, como sistemas de protección térmica en fachadas de edificios.

Gracias al desarrollo técnico de la industria fotovoltaica, los sistemas fotovoltaicos se pueden integrar fácilmente arquitectónicamente en elementos de construcción de edificios como tejados y componentes verticales de fachadas, tanto con superficies opacas como transparentes. Además, los elementos de las fachadas de las construcciones fotovoltaicas también podrían estar provistos de aberturas como puertas o ventanas.

Los análisis de accidentes muestran que el uso de sistemas fotovoltaicos como elementos constructivos podría aumentar el riesgo de incendio en los edificios. De hecho, datos nacionales e internacionales informan de un número creciente de incendios provocados por sistemas fotovoltaicos aplicados o integrados en edificios. El Servicio Nacional de Bomberos de Italia, es decir, la autoridad competente en materia de seguridad contra incendios en edificios (en Italia), publicó en 2012 una directriz para evaluar y mitigar el riesgo de incendio cuando se instala un sistema fotovoltaico en un edificio como fachada o como tejado. La Guía aborda no sólo la reducción de las causas de ignición de incendios fotovoltaicos y los aspectos relacionados con la propagación del fuego debido a las partes combustibles que constituyen los módulos o paneles fotovoltaicos, sino que también tiene en cuenta la seguridad tanto del personal de mantenimiento como de los equipos de rescate.

Este artículo se centra en los aspectos de seguridad contra incendios relacionados con el uso de paneles y sistemas fotovoltaicos contra incendios en fachadas de edificios, mostrando algunos datos experimentales interesantes relacionados con el comportamiento al fuego de estos componentes y subrayando los factores que promueven la propagación del fuego, como la alta temperatura operativa. temperatura del propio sistema fotovoltaico.

Los sistemas fotovoltaicos (PV) aprovechan el efecto fotovoltaico para convertir la radiación solar en energía eléctrica. Las políticas de incentivos ambientales en todo el mundo están apoyando el uso de convertidores de energía eléctrica solar fotovoltaica. Durante la última década, incluso durante períodos difíciles de consolidación industrial y crisis económicas, se ha registrado un aumento considerable de las instalaciones de plantas fotovoltaicas. De hecho, el mercado fotovoltaico mundial ha marcado un crecimiento récord en 2011, cediendo en 2012 y creciendo de nuevo en 2013. Sólo en 2013, las plantas fotovoltaicas han producido al menos 38,4 GW de nueva capacidad añadida, y casi 11 GW sólo en Europa, alcanzando más de 138 GW de potencia eléctrica instalada en todo el mundo [1].

Los sistemas fotovoltaicos para edificios están diseñados y construidos no sólo para realizar la función de producción de energía eléctrica, sino también para ser instalados como elementos constructivos con el fin de proteger el edificio por la acción del agua, nieve, golpes mecánicos o para cumplir requisitos relacionados. a la clasificación energética del edificio y al confort térmico.

Los fotovoltaicos ofrecen un enorme potencial para los diseñadores de edificios, pero deben vigilarse con mucha atención en términos de riesgo de incendio.

Los fotovoltaicos pueden influir en la orientación, la huella, el diseño y la forma del edificio; Afectarán a la estructura del edificio y serán un elemento importante de los sistemas ambientales y de construcción. Deben considerarse parte integral de la estrategia energética del edificio y de su funcionamiento. La integración de los fotovoltaicos con otros elementos del edificio es fundamental para el éxito y la apariencia y la estética son, como siempre, especialmente importantes. Los productos fotovoltaicos de construcción hoy en día pueden ser elementos constructivos importantes de la envolvente de un edificio y, a menudo, forman parte de sus fachadas.

Muchos revestimientos fotovoltaicos pueden considerarse paneles de vidrio a los que se aplican células fotovoltaicas, por lo que se puede aprovechar la amplia experiencia en fachadas acristaladas. Además, los módulos se pueden incorporar fácilmente a otros sistemas probados, como el revestimiento impermeable.

Los sistemas de muros cortina son una tecnología bien establecida que se utiliza en numerosos proyectos de prestigio, como las oficinas del centro de la ciudad. El sistema de montante/travesaño es el más común. Las áreas de visión normalmente son de doble acristalamiento y las áreas de no visión son de vidrio opaco o paneles metálicos aislados. Los módulos fotovoltaicos se pueden incorporar fácilmente como unidades de doble acristalamiento ensambladas en fábrica. El panel exterior puede ser de vidrio laminado sobre el cual se aplica vidrio de resina fotovoltaica; luego tenemos el panel interior (vidrio). También se coloca un espacio de aire sellado entre los dos vasos. El espesor total del módulo normalmente será inferior a 30 mm. Como ejemplo, la siguiente figura muestra una fachada fotovoltaica de la terminal del aeropuerto de Bari Palese (Italia).

Dado que el primer objetivo de los sistemas de conversión de energía es la eficiencia, el diseño e instalación de sistemas fotovoltaicos se centra principalmente en aspectos de eficiencia para aprovechar al máximo la irradiancia solar. Por tanto, el riesgo de incendio debido a una instalación de un sistema fotovoltaico generalmente no está bien abordado. Según un estudio reciente del Cuerpo Nacional de Bomberos (Italia), se han producido alrededor de 1.600 accidentes relacionados con incendios en las casi 560.000 plantas fotovoltaicas instaladas actualmente en Italia. Últimamente se han producido algunos incendios graves en edificios con sistemas fotovoltaicos en muchos países europeos y en EE.UU. Aunque los convertidores de energía solar fotovoltaica no son la causa de la ignición, en caso de que se produzca un incendio en los edificios que los albergan, mejorarán la propagación del fuego y activarán los mecanismos de propagación de las llamas. Por lo tanto, las cuestiones de seguridad contra incendios de un convertidor de energía solar fotovoltaica deben abordarse tanto como causa como víctima de un incendio. De hecho pueden ser ellos los causantes del incendio que lo sufre y contribuir a su propagación.

El artículo comienza con una sección donde se ilustran las causas principales y los mecanismos defectuosos de la ignición de incendios fotovoltaicos, y continúa con una sección dedicada a las directrices de seguridad contra incendios fotovoltaicas emitidas por los Servicios Nacionales de Bomberos de Italia. La tercera sección trata de la importancia de los procedimientos de prueba para la caracterización de la resistencia al fuego de los módulos fotovoltaicos.

Los datos experimentales demostraron que se debe prestar especial atención a los aspectos tecnológicos de los sistemas fotovoltaicos y, sobre todo, a la posible reducción de algunos defectos de producción críticos, que deberían evitarse para reducir el riesgo de incendio en los edificios.

Dado que las plantas eléctricas fotovoltaicas son un subconjunto de la familia de plantas eléctricas, muestran las dos causas principales de ignición eléctrica de incendios: sobrecarga y cortocircuito. Además, si una planta eléctrica fotovoltaica se diseña e instala de acuerdo con las recomendaciones de los códigos eléctricos nacionales, europeos o internacionales (es decir, NFPA 70, IEC 60364-7-712, CEI 64-8), el riesgo de incendio debido a sobrecarga y cortocircuito está bien abordado y mitigado. Además, las características de salida de las células fotovoltaicas muestran una corriente de cortocircuito un poco mayor que la nominal.

Desafortunadamente, las plantas de energía fotovoltaica muestran un conjunto de causas apropiadas para la ignición de incendios eléctricos. Hay dos consideraciones principales para la seguridad contra incendios de los sistemas fotovoltaicos [2]: Los incendios podrían ser causados ​​por componentes y sistemas fotovoltaicos: “escenario de origen del incendio”; Los incendios podrían ser causados ​​por fuentes externas: “escenario de incendio víctima”.

La formación de arcos (arco en serie, arco en paralelo, arco a tierra) es una de las principales causas de ignición de incendios [3]. Otra causa importante de ignición de incendios está relacionada con el mecanismo denominado en la literatura “punto caliente” [4]. Un punto caliente en un módulo fotovoltaico produce un calentamiento localizado en la lámina posterior que podría encenderse y provocar un incendio real. El flujo de corrientes inversas en un módulo debido a sombras o desalineación de las células fotovoltaicas es responsable del mecanismo de ignición del fuego llamado "desajuste" [5]. La falta o mala conexión entre módulos, strings (una conexión en serie de dos o más módulos) y el inversor podría generar una cantidad de energía térmica suficiente que podría provocar un incendio (como se representa en la Fig. 2).

Además, durante un incendio fotovoltaico no es posible apagar todo el sistema de energía para garantizar que todos los componentes estén desenergizados, mientras los módulos y paneles fotovoltaicos están expuestos a la luz solar o artificial [6]. Siempre que varios módulos fotovoltaicos en serie desarrollan suficiente tensión, existe riesgo de descarga eléctrica. Se puede utilizar un voltaje de corriente continua (CC) más alto en los sistemas fotovoltaicos porque puede reducir el tamaño del cableado y aumentar la eficiencia del inversor. Por lo tanto, los riesgos eléctricos para los bomberos involucrados en la mitigación de un incendio relacionado con módulos fotovoltaicos [7] también deben considerarse y abordarse en un edificio fotovoltaico.

La presencia de sistemas fotovoltaicos en los edificios, tanto aplicados (BIPV) como integrados (BIPV), podría empeorar el nivel de riesgo de incendio existente porque los módulos, paneles y componentes fotovoltaicos podrían contribuir significativamente a la propagación del fuego al exterior o a través de la construcción. interfiere con el sistema de humos y ventilación de los productos de la combustión, obstaculiza las operaciones de extinción de incendios e introduce un peligro adicional de descarga eléctrica para los bomberos y socorristas ante la presencia de elementos del circuito energizados.

Los Servicios Nacionales de Bomberos italianos han emitido una directriz [8], [9] y [10] con el objetivo de reducir el estallido de un incidente relacionado con un incendio fotovoltaico y sus consecuencias en los edificios anfitriones y las obras de construcción. La directriz se ha desarrollado con un enfoque no prescriptivo; de hecho, según el Reglamento de Productos de Construcción – Reglamento CPR [11] (UE) n.305/2011 de 9 de marzo de 2011, la evaluación y mitigación del riesgo de incendio como resultado de la instalación de una planta fotovoltaica en un edificio debe realizarse para cumplir con el requisito básico n. 2 de las obras de construcción: “Seguridad en caso de incendio”. El requisito básico n. 2– Seguridad en caso de incendio – afirma que una obra de construcción debe diseñarse y construirse de tal manera que, en caso de que se produzca un incendio,

(1) la capacidad de carga de la construcción se puede asumir durante un período de tiempo específico; (2) Se limita la generación y propagación de fuego y humo dentro de las obras de construcción; (3) Se limita la propagación del incendio a las obras de construcción vecinas; (4) Los ocupantes pueden abandonar la obra de construcción o ser rescatados por otros medios; (5) Se tiene en cuenta la seguridad de los equipos de rescate.

El diseño y la instalación de una planta de energía fotovoltaica deben realizarse para cumplir con el requisito básico n. 2 enumerados anteriormente, que abordan las siguientes cuestiones:

En [12] se presenta un análisis y discusión completos de la Guía italiana para la seguridad contra incendios de sistemas fotovoltaicos aplicados o integrados en edificios.

Uno de los principales objetivos de seguridad contra incendios para el diseño de un edificio es restringir la propagación vertical del fuego de modo que el humo y las llamas se limiten al piso de origen del incendio. Las nuevas topologías de la fachada del edificio y del muro cortina podrían superar las preocupaciones sobre la seguridad contra incendios, por lo que el servicio nacional de bomberos italiano ha publicado una Guía del Código de Incendios para abordar el diseño de seguridad contra incendios para la fachada de un edificio de gran altura [13].

Como es bien sabido, las fachadas más utilizadas se construyen con una serie de capas de materiales que aumentan las prestaciones aislantes y fonoabsorbentes sin consideraciones de combustibilidad y participación en la tendencia al fuego. Por este motivo, muchas veces, un incendio de una fachada se convierte en un grave problema para la protección de personas y bienes. Además, si se produce un incendio al nivel de una carretera –es decir, un coche en llamas o un contenedor de residuos–, y se enciende la fachada de un edificio cercano cubierto o completamente construido por materiales combustibles, teniendo en cuenta la posición vertical del combustible y la presencia ilimitada de comburente cantidad (el oxígeno en la atmósfera), la fachada contra incendios podría convertirse en una verdadera antorcha enorme. Para reducir la vulnerabilidad del sistema de cubierta general del edificio, los materiales ligeros, de alto aislamiento y absorción acústica, así como los revestimientos y cubiertas fotovoltaicos utilizados en la construcción de una fachada, deben tener una reacción adecuada al fuego. La siguiente sección informa las caracterizaciones de resistencia al fuego de los módulos y paneles fotovoltaicos utilizados como sistema aplicado o integrado en la construcción.

La propagación del fuego y de las llamas en un tejado o en la fachada de un edificio están fuertemente influenciadas por la reacción al fuego de los productos y materiales del tejado y de la construcción. De hecho, la reacción al fuego de un producto de construcción se ocupa de características como la ignición, la propagación de la llama, la tasa de liberación de calor, la producción de humo y gas y la aparición de gotas ardientes.

La clasificación de resistencia al fuego de los módulos fotovoltaicos en el mercado de la UE no es obligatoria; de hecho, cuando la norma internacional de módulos fotovoltaicos IEC 61730-2 “Cualificación de seguridad de módulos fotovoltaicos (PV) – Parte 2: Requisitos para las pruebas” se convierta en la norma europea EN 61730-2, la prueba de fuego MTS 23 solo podrá realizarse si así lo solicita el fabricante de los módulos fotovoltaicos. La prueba MTS 23 se lleva a cabo de acuerdo con la norma ANSI UL/790 (“Estándar para métodos de prueba estándar para pruebas de fuego de revestimientos de techos”), y la clasificación de comportamiento frente al fuego de los módulos fotovoltaicos varía desde la Clase C: “clasificación fundamental contra incendios”. – , a Clase B a Clase A– “clasificación al fuego más alta”– ; La norma también exige una clasificación mínima de resistencia al fuego de Clase C para cualquier módulo montado en un edificio. Además, la norma UL 790 aborda dos problemas de protección contra incendios: la propagación de las llamas a lo largo del techo y la penetración del fuego.

La norma EN 61730-2 también establece que la prueba MTS 23 especifica requisitos fundamentales y puede no ser suficiente para satisfacer las necesidades de un módulo destinado a aplicaciones de construcción de acuerdo con los requisitos del código de incendios de construcción local o nacional.

Tras la última frase, el Servicio Nacional de Bomberos de Italia, es decir la autoridad competente en materia de seguridad contra incendios en Italia, según las actividades experimentales llevadas a cabo por el Área de Protección Pasiva contra Incendios de la Dirección Central de Prevención de Incendios y Seguridad Técnica ha emitido una orden nacional Resolución para ensayar y clasificar la calificación de Reacción al fuego de módulos fotovoltaicos.

Dado que la clasificación del comportamiento al fuego y la certificación de materiales con fines de prevención de incendios están reguladas por el Decreto del Ministerio del Interior emitido el 26 de junio de 1984 [14], la Resolución FV establece que un módulo FV puede clasificarse siguiendo la Clasificación Italiana de Reacción al Fuego proporcionada por las normas, métodos de prueba y procedimientos de clasificación establecidos en el Decreto antes mencionado.

Las clasificaciones nacionales de desempeño de reacción al fuego para materiales combustibles se determinan utilizando los resultados de una combinación de las tres pruebas que se muestran a continuación:

Tabla 1. Clasificación italiana de reacción al fuego de materiales.

La Tabla 1 ilustra cómo se combinan los resultados de cada prueba para producir las clasificaciones nacionales generales: los materiales y productos combustibles se dividen en 5 categorías, 1, 2, 3, 4 y 5, siendo 1 el mejor nivel de rendimiento y 5 el peor. . La tabla se deriva de UNI 9177 “Clasificación de reacción a productos combustibles al fuego” [18].

La prueba UNI 8457 aplica una pequeña llama de ignición en el borde inferior de la muestra sometida a prueba durante 30 segundos, observando y midiendo la velocidad de propagación de la llama, la zona dañada de la muestra, el tiempo de post-incandescencia y las gotas/partículas en llamas.

La UNI 9174 se ocupa de la reacción al fuego de los productos que pueden ser alcanzados por una llama y una calefacción radiante; La muestra sometida a prueba se coloca sobre un soporte incombustible expuesto a un panel radiante y se golpea con una llama en la parte inferior de la muestra. Durante la prueba, el calor emitido por el panel radial es igual a 6,2 W/cm2. Durante la prueba del panel radiante, se observan y registran los siguientes parámetros:

La siguiente figura muestra el resultado de una prueba de fuego en un módulo fotovoltaico de fachada durante la prueba con una llama en presencia de calor radiante: la imagen de la izquierda de la figura resalta la separación de capas debido a la combustión de la lámina posterior fotovoltaica, mientras que el centro de la figura muestra la mecánica de la lámina posterior fotovoltaica. abrasador. La parte derecha de la figura muestra la altura de la llama durante la combustión fotovoltaica.

La clasificación de reacción al fuego de clase 1 según el procedimiento de prueba italiano ilustrado anteriormente se puede lograr fácilmente para módulos fotovoltaicos del tipo “vidrio a vidrio”. En la tecnología de módulos fotovoltaicos más común, el vidrio sólo se utiliza en el lado expuesto al sol, mientras que la lámina posterior generalmente está constituida por materiales combustibles. El comportamiento de propagación de la llama, así como la velocidad de propagación de la llama, están estrictamente relacionados con los materiales elegidos para construir una lámina posterior del módulo fotovoltaico. Para cumplir con los requisitos del código italiano de reacción al fuego, un fabricante de módulos fotovoltaicos debe evaluar el material elegido para desarrollar una reacción adecuada al módulo fotovoltaico. En [19] se proporciona una explicación detallada del método italiano de reacción al fuego aplicado a la caracterización de módulos fotovoltaicos.

En términos de construcción, los sistemas fotovoltaicos integrados en edificios deberían desempeñar el mismo papel que los elementos tradicionales de revestimiento de paredes y tejados a los que sustituyen. En consecuencia, deben abordar todas las cuestiones normales de un producto de construcción, es decir, apariencia, estanqueidad a la intemperie y protección contra los elementos, carga de viento, vida útil de los materiales y riesgos y consecuencias de fallas y todos los aspectos de seguridad (construcción, incendio, electricidad, etc.). .).

Los módulos y sistemas fotovoltaicos aún no están regulados por ninguna norma armonizada europea. Existe un proyecto europeo realizado por un grupo de trabajo y presentado recientemente al CEN y CENELEC titulado “prEN 50583 Photovoltaics in Buildings:2012” [20]. Este prEN introduce por primera vez la definición de los términos BIPV y BAPV.

BIPV son módulos fotovoltaicos integrados en edificios que proporcionan una función según lo definido en la Directiva europea de productos de construcción CPD 89/106/CE [11]. Por lo tanto, un módulo fotovoltaico puede considerarse un BIPV si contribuye a la integridad de la funcionalidad del edificio. En otras palabras, si se desmontara un módulo fotovoltaico integrado, habría que sustituirlo por un componente de construcción adecuado. Esto significa que los módulos BIPV deben poder realizar una o más de las siguientes funciones:

Los BAPV se consideran fotovoltaicos adjuntos a edificios si los módulos fotovoltaicos están montados en la envolvente de un edificio y no cumplen los criterios anteriores para la integración en edificios. Esto significa que la integridad de la funcionalidad del edificio es independiente de la existencia de un módulo fotovoltaico adjunto al edificio.

Además, el proyecto de norma europeo introduce varias categorías de aplicaciones y las subdivide en los requisitos esenciales de la Directiva europea de productos de construcción. Los elementos de fachada se clasifican en la Categoría C y la Categoría D como se muestra en la Fig. 4.

La prEN 50583 asigna requisitos específicos de aplicación a los módulos fotovoltaicos, divididos en las categorías principales "que contienen" y "que no contienen paneles de vidrio".

Para la seguridad en caso de incendio, los requisitos generales para todas las categorías BIPV se refieren a la norma EN 13501-1, que tiene un requisito mínimo de reacción europea al fuego de clase E. Para los elementos fotovoltaicos de fachada de categoría C, la norma de clasificación contra incendios debe realizarse de acuerdo con EN 13501-2 y EN 13501-5, mientras que la Categoría D requiere sólo la clasificación al fuego EN 13501-2. Para láminas de caucho y plástico flexible fotovoltaico, el comportamiento frente al fuego podría requerir la clasificación Broof T1, T2, T3 o T4 según EN TS 1187:2012.

La seguridad es una preocupación primordial para la industria fotovoltaica (PV). Como tecnología implementada en edificios residenciales y comerciales, es fundamental que la energía fotovoltaica no cause daños a los edificios ni a sus ocupantes. La emisión de una norma armonizada europea podría ser útil para hacer que los módulos fotovoltaicos de fachada sean intrínsecamente más seguros, especialmente contra el riesgo de incendio.

La principal conclusión es que la reducción del riesgo de incendio, la propagación del fuego y los mecanismos de ignición adecuados causados ​​por dichos sistemas están fuertemente relacionados con una evaluación de riesgos adecuada y precisa de las instalaciones fotovoltaicas de los edificios y con los aspectos de prueba, calificación y certificación del comportamiento al fuego de los elementos fotovoltaicos de la fachada. La combinación de módulos fotovoltaicos más seguros con mejores diseños de sistemas puede resolver muchos de los problemas de seguridad observados en los sistemas fotovoltaicos de fachada actuales.

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